T-carbon [1 1 0]作为钠/钾电池阳极的储能机制与高性能负极潜力

对可继续储能技能的迫切需求凸显了开发先进钠钾离子电池负极资料的重要性。但是传统碳资料（如石墨）受限于离子吸附能力缺乏与低比容量，约束了其实践使用。为突破这些约束，本研讨经过第一性原理核算探求了T碳[1 1 0]（TC）单层资料的电化学功能。结构、电子特性与稳定性剖析证明TC具有优异的动力学、机械及热稳定性，一起具有金属导电性。吸附研讨表明Na+和K+离子优先占有H位点1和H2具有强结合位点和约0.9|e|电荷转移的位点。CI-NEB和Arrhenius剖析揭示了较低的扩散势垒，其间K离子表现出0.026 eV的超低势垒，其扩散系数在300 K时为3.44×10−3cm2。重要的是，最大构型C−1Na24和 C18对应1674和930 mAh g的超高理论容量24这些结果表明TC是一种极具前景的高功能钠/钾离子电池负极资料10, correspond to ultrahigh theoretical capacities of 1674 and 930 mAh g−1. These results highlight TC as a promising anode for high-performance Na/K-ion batteries.

图文摘要

全球对可继续清洁能源日益增长的需求，影响了对先进储能技能的深化研讨。这些技能需能支撑可再生能源的大规模并网，一起降低对化石燃料的依靠[[1], [2], [3], [4]]。在很多储能体系中，金属离子电池（MIBs）——尤其是锂离子电池（LIBs）——凭借其高能量密度、长循环寿数和杰出可靠性占有市场主导地位，已广泛使用于便携式电子设备、电动汽车及电网级储能领域[[5], [6], [7]]。但是，锂离子电池（LIBs）的快速商业化暴露出若干要害应战，包括资源稀缺性、昂扬生产本钱、安全隐患及环境问题[8,9]。锂、钴资源的地理散布不均与储量有限，叠加挖矿（Mining）及回收过程中的价格波动与环境影响，已引发重大可继续性问题[[10], [11], [12], [13]]。此外，易燃有机电解质的使用还带来了热失控、火灾等额外安全风险[14,15]。为解决这些局限性，钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（KIBs）因其钠、钾资源的地壳丰度高、本钱低廉且散布广泛等优势，已成为极具前景的代替方案[16,17]。钠与钾在地壳中的丰度（质量占比分别为2.6%与2.4%）明显高于锂（0.002%）[18]，一起避免了钴基正极资料的依靠，然后有效降低资料本钱。此外，SIBs与KIBs展现出更高的安全性：SIBs的工作电压较低，热失控风险明显降低[19,20]；而KIBs与有机溶剂的反响活性较弱，可提升运转稳定性[17]。这些优势使得SIBs和KIBs成为下一代可继续、大规模储能体系的强竞争力候选技能。
石墨烯的发现推动了对具有多样化键合构型与共同物理化学性质的新式二维(2D)碳同素异形体的广泛探究。现在已有大量二维碳结构被提出，其间试验合成的资料包括石墨炔和石墨二炔[21,22]，而理论猜测的同素异形体则包括联苯撑[23]、phagraphene[24]和T-石墨烯[25]。这些新兴资料在储能使用尤其是可充电电池负极方面展现出巨大潜力。特别值得关注的是含有sp杂化碳的二维碳同素异形体2- sp3杂化碳资料展现出扩大的本征孔隙、可调控的导电性、高比表面积以及优异的离子存储能力[26,27]。与原始石墨烯相比（后者存在离子吸附能力弱和存储容量有限的问题），这些杂化碳结构供给了丰富的吸附位点、缩短的离子扩散途径以及循环过程中优胜的结构稳定性[[28], [29], [30]]。第一性原理研讨猜测，sp2- sp3杂化碳结构（如四方C24可以展现出杰出的钠/钾存储功能，兼具低扩散势垒与高可逆容量的优势[31]。值得注意的是，这些本征同素异形体或许战胜缺陷诱导不稳定性带来的约束——这种问题在高度工程化的石墨烯基体系中普遍存在[[32], [33], [34]]。因此，具有敞开结构和杂化键合模式的二维碳同素异形体的理性设计，已被猜测为完成高功能钠/钾离子电池负极资料的可行策略[35,36]。在这些新式碳同素异形体中，T-碳（TC）因其共同的金刚石衍生敞开结构结构近期遭到广泛关注，该结构在已知晶体碳同素异形体中具有最低密度及本质多孔的"蓬松"特性[37,38]。TC的[1 1 0]晶向暴露出天然大孔和环形开口，供给了宽阔的扩散通道与丰富的吸附位点[39]。此外，TC已经过多种试验途径成功合成，包括碳纳米管在甲醇中的皮秒激光转化及金刚石基底上的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）成长，证明了其实践可行性[40,41]。尽管TC在钙钛矿太阳能电池等领域已有理论研讨，但其作为钠/钾离子电池负极的潜力仍待深化探究，这为新一代储能使用供给了重要机遇[42]。
本研讨经过第一性原理核算，体系研讨了T-碳[1 1 0]（TC）单层作为钠/钾离子电池潜在负极资料的电化学功能。全面剖析了TC资料的结构稳定性、电子导电性、离子吸附特性、扩散动力学特性及其对钠/钾离子的电化学功能表现。研讨结果表明：TC资料展现出优异的稳定性、高导电性、低扩散势垒、抱负的开路电压和高理论容量，这些特性凸显了其作为新一代钠/钾离子电池高功能负极资料的巨大潜力。